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钢结构模块的标准化

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钢结构模块的标准化

钢结构施工是通过微观单元的组装而形成宏观结构的过程,微观的单元与宏观的结构的关系十分关键,是钢结构施工的基础。与预制混凝土结构不同,钢结构的微观单元、模块的差异度较大,其构成要与施工工艺、技术能力以及结构的宏观需要等方面的因素相适应。施工者需要根据设计图纸,对于整体结构进行分解设计,使其成为可以在工厂中生产的微观单元。

钢结构基本单元或模块的确定,应根据构件加工供应商的生产能力,施工单位的吊装、安装能力,连接施工的方便性,连接点的力学稳定性和单元与模块的标准化程度等多方面因素加以确定。

钢结构的单元或模块在工厂中加工制作完成后,运输至现场进行拼接与安装。钢结构拼接过程中的连接方法有焊接、普通螺栓连接、高强度螺栓连接和铆接等。

一、钢结构焊接

建筑工程中钢结构常用的焊接方法,按焊接的自动化程度一般分为手工焊接、半自动焊接和自动化焊接三种,现场一般是手工焊接。与混凝土结构中的钢筋焊接相比,钢结构现场焊接一般仅采用电弧焊的方式,其他方式的焊接(如等离子焊)仅在工厂中进行。从事现场焊接工作的焊工必须持证上岗,并在完成的焊缝处留有钢印备查。施工完毕后,需要对焊缝进行超声探伤,当超声探伤不能说明问题时,则需要采用射线探伤以确定焊缝内部状态,对于不满足施工验收要求的焊缝,必须重焊或补焊,以满足质量要求。

二、焊接应力与焊接变形

1)焊接应力与变形的原因与影响

钢结构构件或节点在焊接过程中,局部区域受到很强的高温作用,产生异常变形,但熔化的液态或半液态钢水却可以适应这种变形;在焊接后冷却时,适应变形的钢水硬化后不能自由收缩,与周边钢材形成强烈的内部作用,称为焊接应力。

焊接应力有多种形式,具体分为纵向、横向和Z向(厚向)应力。纵向应力,沿着焊缝长度方向的应力;横向应力,垂直于焊缝长度方向且平行于构件表面的应力;厚度方向应力,垂直于焊缝长度方向且垂直于构件表面的应力。而由于焊接应力使焊缝处于三向应力状态,在钢结构实际受力过程中,阻碍了塑性变形,裂纹易发生和发展;对于承受动荷载的构件,焊接应力会降低疲劳强度。

在此不均匀的加热和冷却过程中,也会产生异常的变形,称为焊接变形,表现在构件局部的鼓起、歪曲、弯曲或扭曲等,对于受压杆件,或结构中受压区域,焊接变形使得构件曲率增加,降低了压杆的稳定性。

2)减少焊接应力与变形的方法

焊接变形预应力问题不仅对于焊接工艺影响很大,也影响着最终焊接结构的几何形状和焊缝的承载能力,应尽可能避免。减小焊缝长度与钢板厚度可以减少焊接时产生的热量;焊接后采用回火处理,可以减小焊接应力;而对称性的焊接则可以通过焊接应力之间形成的相互作用抵消宏观焊接变形。具体来讲,减少焊接应力和焊接变形应从以下几方面着手:

1)采用适当的焊接程序,长焊缝采用分段焊接,厚大钢板焊缝采用分层焊接;

2)尽可能采用对称焊缝,使构件产生的焊接变形呈相反方向,从而相互抵消;

3)施焊前使结构有一个和焊接变形相反的预变形,在焊接过程中,随着焊接变形的发生而逐步抵消;

4)对于小构件焊前预热、焊后回火,然后慢慢冷却,以消除焊接应力。

5)合理的焊缝设计,包括:避免焊缝集中、三向交叉焊缝;焊缝尺寸不宜太大;焊缝尽可能对称布置,连接过渡平滑,避免应力集中现象;避免仰焊等。

三、钢结构的螺栓连接

螺栓连接属于冷加工过程,在施工中没有热效应,不会产生异常应力与变形,连接质量稳定可靠,也是目前钢结构主要采用的连接模式之一。

但采用螺栓连接也应注意,由于螺栓必须通过螺栓孔才能固定,而螺栓孔则必然会减小钢构件的承载截面,因此对于小截面构件来讲,螺栓连接的使用会受到限制。另外,螺栓孔需要在钢构件的加工厂中通过专用的钻床进行加工,而工程中的环境,尤其是温度与现场差异较大,当钢构件运输至现场过后,会由于热胀冷缩产生螺栓孔错位的现象,导致安装困难。一般来说,钢结构施工过程中都会限制螺栓孔的现场处理,如扩孔、增加新的螺栓孔等,因为这都会造成截面的进一步折减,如果使用方法不当,如气割等热加工形式,还会对于螺栓孔周边的材质形成损害。此时应及时与设计方进行协商,根据设计要求进行处理。

钢结构中使用的连接螺栓一般分为普通螺栓和高强度螺栓两种。普通螺栓以螺栓自身受剪为主;高强螺栓则分为多种形式,以摩擦型的为主——通过螺栓拉力而形成的钢板之间的摩擦力进行传力。

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